[发明专利]一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法

说明书

本发明公开一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法，属于光电检测领域。本发明所述方法采用波长405nm，功率100mw的近紫外半导体激光器作为激发光源，发出的激光束经过石英圆柱透镜二维扩束后形成扇形光，垂直照射到含藻类的水体样品上，水体样品中藻类所含叶绿素a受到激发之后，发出波长685nm的荧光，硅光电池接收并产生电信号，通过测量荧光强度所对应的电压值来确定含藻类水体中的藻类的浓度值。本发明装置结构简单，稳定性好，成本低，精度高，即使是在水体藻类浓度很低的情况下，也可以检测出叶绿素荧光信号，可实现水体中藻类浓度的现场实时多点检测。

技术领域

本发明涉及一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法，属于光电检测领域。

背景技术

叶绿素广泛存在于水中藻类及其它浮游植物中，其中叶绿素a的含量是最高的，是衡量水体藻类生物量的主要标志。因此测定水体藻类浓度，可以通过测定叶绿素浓度来实现。目前，测定叶绿素浓度的主要方法有分光光度法，高效液相色谱法，遥感法，荧光法等。其中分光光度法和高效液相色谱法属于实验室分析法，专业性强，效率低，分析周期长且无法进行实时监测，遥感法仅适用于大面积水体检测，不适用于小面积水体检测，且受天气因素影响很大。其中因荧光法具有测定速度快，灵敏度高，实时性好，无需试剂，不会造成二次污染，且可以实现在线检测，荧光法已成为测定水体藻类浓度的主要方法之一。

现有的荧光法存在的不足为：首先，荧光法中常用的激发光源是：LED激发光源，由于LED光源光功率密度比较小，激发出的荧光信号也会比较弱，方向性差；其次，荧光法中常用感光面积小的光电传感器，光电传感器感光面积越小，接收到的荧光光通量越小，当水体藻类浓度很低时，感光面积小的光电传感器，接收荧光信号及其微弱，其输出信号可能湮没在噪声中，测量不出水体藻类浓度；最后，荧光法中多用传统的球面镜对光束汇聚，但经过聚光镜的光束在三维空间内仍然发散形成光锥，进入到比色皿的光通量会很小，激发产生的叶绿素荧光较弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置，其结构简单、速度快、精度高；包括激光光源调节支架台1、半导体激光器2、石英圆柱透镜3、光学玻璃比色皿4、硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6、信号处理与放大模块7、显示模块8、进水泵9、出水泵10、遮光板11；半导体激光器2和石英圆柱透镜3安装在激光光源调节支架台1上，半导体激光器2为石英圆柱透镜3的正上方，二者的高度均可调节；光学玻璃比色皿4的两侧分别设有硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6，硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6的放置方向与光源方向垂直；硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6串联后与放大模块7连接，信号处理与放大模块7与显示模块8连接，光学玻璃比色皿4的上方放置有遮光板11，光学玻璃比色皿4内分别与进水泵9和出水泵10连接。

优选的，本发明所述半导体激光器2为大功率半导体近紫外光激光器，其波长为405nm，功率为100mw。对于405nm近紫外光，人眼视觉可见，方便调试光路，避免光线进入到人眼伤害到眼睛；其次，玻璃对405nm的近紫外光有部分吸收作用，很大程度上避免了水体中的微小颗粒物产生散射后，照射到硅光电池的感光面上，提高测量精度，减小实验误差；最后，叶绿素有两个特征吸收峰，一个位于蓝紫光440nm处，另一个位于红光660nm处，但是叶绿素a在440nm处吸收效果更强。因此选择了440nm附近的405nm的近紫外光；激发光源功率的大小会影响叶绿素荧光强度的大小，激发光功率太小，激发出的叶绿素荧光强度小，荧光效果不明显；过大的激发光，激光热效应会损伤待测样品；近紫外大功率半导体激光器有方向性好、单色性好、体积小、发光强度稳定等的优点；其中，方向性和单色性好，则所激发出叶绿素荧光强度更高，可以提高检测装置的灵敏度；体积小，利于系统的小型化和集成化；光源发光强度非常稳定，可以提高检测系统的稳定性；综合以上因素，本发明选择了波长405nm，功率100mw的近紫外大功率半导体激光器。